J Mol Struct：甘薯氮掺杂活性炭用于水和土壤样品中双酚 A 的电化学检测

      双酚A（BPA，2,2'-双(4-羟基苯基)丙烷）作为一种重要的化工原料，被广泛用于聚碳酸酯和环氧树脂的合成，并常见于食品包装、奶瓶、饮料罐等日常用品中。由于其在环境中的迁移性，BPA已通过包装材料渗入食品和水体，导致人类和水生生物长期暴露。研究表明，BPA的酚羟基结构使其能够与雌激素受体结合，其分子构型与二乙基己烯雌酚、雌二醇等内分泌激素高度相似，因此被归类为内分泌干扰物（EDC），可能对生物体内分泌系统造成显著干扰。鉴于其潜在健康风险，饮用水中双酚A的常规监测至关重要。目前，监管机构主要依赖气相色谱-质谱（GC-MS）、液相色谱-质谱（LC-MS）及酶联免疫吸附试验（ELISA）等标准分析方法，但这些技术存在仪器成本高、检测周期长、前处理复杂等局限性，亟需开发痕量检测新技术。

      近年来，电化学传感技术因其设备简单、响应快速、灵敏度高、样品前处理简便等优势，成为双酚A检测领域的研究热点。本研究成功开发了一种基于N-掺杂活性碳的高灵敏度、低成本的电化学传感器，可高效检测水体和土壤中的痕量双酚A。该传感器通过优化电极材料的结构设计，显著提升了催化剂的比表面积（电化学活性面积达0.051 cm²），并利用材料间的协同效应增强检测性能。其检测机制基于扩散控制的氧化反应，通过质子-电子协同转移实现双酚A的定量分析。实验结果表明，该传感器在1.2~18.0 μM浓度范围内呈现良好的线性响应，检出限低至9.2 nM。实际样品测试中，水体和土壤加标回收率令人满意，且传感器在30天内保持稳定性能，抗常见有机/无机物干扰能力优异。本研究所开发的电化学传感器兼具实用性和经济性，为环境基质（尤其是水源和土壤）中双酚A的现场监测提供了新思路，有望推动环境污染物快速检测技术的发展。

• 新型高性能复合材料：合成了新型材料NSC-400~600，显著增强了电化学活性、导电性和稳定性。

• 实际应用性能优异：线性范围宽（1.2~18.0µM），检测限低（9.2 nM）；用于实际水样和土壤样品的加标回收率令人满意，在一个月的时间内性能稳定。

Fig. 1. Illustration of various sources for Bisphenol A (BPA) and their adverse effects on human health.

Fig. 2. A systematic procedure for the creation of N-doped activated carbon NSC-400-600.

Fig. 3. A) XRD pattern of NSC-400, NSC-500, and NSC-600; B) FT-IR spectra of NSC-400, NSC-500, and NSC-600; C) Raman Spectra of NSC-600; D) N2 adsorption-desorption isotherm of NSC-600, and E) BJH pore size distribution of NSC-600.

Fig. 4. AFM images of A) Nascent CPE; B) NSC-400; C) NSC-500; and D) NSC-600.

Fig. 5. A, B) FE-SEM micrographs of NSC-600; C, D) HR-TEM pictures; E) Lattice structure, SAED pattern (2e-inset); and F) EDS spectrum of NSC-600.

Fig. 6. Elemental mapping A) Colour mapping; B) Carbon; C) Nitrogen; and D) Calcium.

Fig. 7. Voltammetric response of 0.5mM BPA at various electrodes NSC-600, NSC-500, NSC-400, and Bare at a scan rate of 50mVs^-1 at pH=7.0; A) Peak currents of different electrodes NSC-600, NSC-500, NSC-400, and Bare CPE.

Fig. 8. EIS of 5mM K₃[Fe(CN)₆] in 0.1M KCl, at bare CPE, NSC-400 NSC-500 and NSC-600.

Fig. 9. CVs for the active surface area were obtained for 5.0 mM [Fe(CN)₆]^3-/4- in 0.1 M KCl using NSC-600/CPE at varying scan rates of 0.01 and 0.30 V/s; A) Plot of Ip vs υ^1/2.

Fig. 10. Voltammetric Ip responses of 0.5 mM BPA at NSC-600/CPE with 50mVs^-1 at various time intervals of 0 to 60 seconds.

Fig. 11. Voltammograms of 0.5 mM BPA in various PBs of various pH 3.0 to 10.4 at a scan rate of 50mV/s at NSC-600/CPE; (A) Graph of Ip/µA vs pH; (B) Graph of Ep (V) vs pH.

Fig. 12. EIS of 5mM K₃[Fe(CN)₆] in 0.1M KCl, at bare CPE, NSC-400 NSC-500 and NSC-600. LSVs of 0.5mM BPA at various scan rates (10mV/s to 250mV/s) at NSC-600/CPE; pH 7.0; timm= 0s. (A) Graph of Ip/μA vs. υ^1/2 (B), Graph of Ip/μA vs. υ/Vs^-1, (C) Graph of log Ip/μA vs. log /Vs^-1, (D) Graph of Ep/V vs. log (υ)/Vs^-1.

Fig. 13. The probable sensing mechanism of Bisphenol A at NSC-600/CPE.

Fig. 14. SWVs at NSC-600/CPE with various BPA concentrations. (A) Graph of Ip/μA vs [BPA]/μM.

Fig. 15. Impact of various metal ions on BPA potential at NSC-600/CPE; A) % of signal change.

Tabel 1. Comparison table for Linearity range and LOD values for BPA at various electrode surfaces.

本研究以600℃热解合成的掺氮活性碳（NSC-600）修饰碳糊电极（NSC-600/CPE）为传感平台，系统开展了双酚A（BPA）的电化学检测研究。通过材料表征与电化学性能分析，证实NSC-600的高效电催化活性显著提升了电极性能，其作用机制主要体现在两方面：（1）独特的氮掺杂结构提供了更大的电化学活性表面积；（2）优化的电子传导路径改善了界面电荷转移效率。实验结果表明，该电极在复杂基质中表现出优异的抗干扰能力，即使在高浓度共存金属离子（如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）存在下，仍能保持稳定的检测信号。实际样品测试中，NSC-600/CPE对BPA的加标回收率可达84.67%~86.33%，且对结构类似物（如对苯二酚、4-叔丁基苯酚）具有较强的抗干扰性能。基于上述优势，NSC-600/CPE兼具高灵敏度（检测限低至nM级）和强抗干扰特性，在环境水体监测（如地表水、废水）和生物医学样本（如血清、尿液）的痕量BPA检测中具有重要应用潜力，为现场快速筛查提供了可靠的技术方案。

免责声明：原创仅代表原创编译，水平有限，仅供学术交流，如有侵权，请联系删除，文献解读如有疏漏之处，我们深表歉意。